DE2516034A1 - Temperaturkompensierte z-diodenanordnung - Google Patents

Temperaturkompensierte z-diodenanordnung

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DE2516034A1
DE2516034A1 DE19752516034 DE2516034A DE2516034A1 DE 2516034 A1 DE2516034 A1 DE 2516034A1 DE 19752516034 DE19752516034 DE 19752516034 DE 2516034 A DE2516034 A DE 2516034A DE 2516034 A1 DE2516034 A1 DE 2516034A1
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transistor
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DE19752516034
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Wolfgang Dipl Ing Hoehn
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TDK Micronas GmbH
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Deutsche ITT Industries GmbH
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    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05FSYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F3/00Non-retroactive systems for regulating electric variables by using an uncontrolled element, or an uncontrolled combination of elements, such element or such combination having self-regulating properties
    • G05F3/02Regulating voltage or current
    • G05F3/08Regulating voltage or current wherein the variable is dc
    • G05F3/10Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics
    • G05F3/16Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices
    • G05F3/18Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices using Zener diodes

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Description

  • Tempexaturkompensierte Z-Diodenanordnung Die Erfindung beschäftigt sich mit einem Problem, das bei der Verwendung der aus der DT-OS und der dazugehörigen DT-AS 1 589 707 bekannten temperaturkompensierten Z-Diodenanordnung auftritt.
  • Diese ist in Form einer integrierten Halbleiterschaltung aufgebaut, die aus mehreren in einem gemeinsamen Halbleiterkörper angeordneten und durch auf gebrachte Metallisierungen untereinander verbundenen Transistorstrukturen besteht. Dabei sind die Basis-Emitter-pn-Übergänge der Transistecstrukturen bezüglich der Richtug des im Betrieb fließenden Gesamtstroms derart in Reihe geschaltet, daß ein Teil davon in Sperrichtung bis ins Abbruchgebiet als Z-Dioden und die restlichen in Flußrichtung als Flußdioden betrieben sind. Bei einer Ausführungsform dieser bekannten Z-Diodenanordnung sind die Basen der als Flußdioden wirkenden Transistorstrukturen über Widerstände mit einem der äußeren Anschlüsse verbunden.
  • Diese temperaturkompensierten Z-Diodenanordnungen weisen einen Temperaturkoeffizienten auf, der ihre Verwendung in kapazitätsdiodenabgestimmten Rundfunk- und Fernsehempfängern ermöglicht, wo sie die zur Abstimmung der Rapazitätsdioden erforderliche temperaturstabile und konstante Vorspannung erzeugen. Hierbei werden sie wie eine übliche Z-Diode betrieben, d. h. es wird mittels eines Vorwiderstandes, der einseitig an einer nichtstabilisierten Gleichspannungsquelle liegt, eine übliche Parallelstabilisierungsschaltung gebildet.
  • Obwohl sich entsprechend dem bekannten Prinzip hergestellte temperaturkompensierte Z-Diodenanordnungen in der Praxis vielfach bewährt haben, weisen sie doch noch einige verbesserungsbedürftige Nachteile auf. So fließt bei ihnen der Hauptanteil des Gesamtstroms über die als Flußdioden betriebenen Transistorstrukturen, deren Basis-Emitter-Schwellspannunyen zusammen mit den in Sperrrichtung betriebenen Transistorstrukturen und deren Abbruchspannung die Gesamtreferenzspannung der Z-Diodenanordnung bestimmen.
  • Der für die Stabilisierungseigenschaften einer Z-Diodenanordnung charakteristische differentielle Widerstand kann aufgrund der eben geschilderten Tatsache bei den bekannten Anordnungen, selbst wenn der Stromverstärkungsfaktor der als Flußdioden betriebenen Transistorstrukturen sehr groß gewählt wird, nicht kleiner als der Quotient aus der Temperaturspannung (ca. 25 mV) und dem erwähnten Hauptanteil des Gesamtstroms werden, da diese Anordnungen sinnvollerweise so dimensioniert sind, daß der Hauptstrom unyefähr dem Gesamtstrom entspricht, während der in den als Z-Dioden betriebenen Transistorstrukturen fließende Nebenstrom relativ niedrig ist. Da der Stromverstärkungsfaktor von in einer Massenproduktion hergestellten Transistorstrukturen bei einem mittleren Wert liegt und der Stromverstärkungsfaktor in den Wert des differentiellen Widerstandes der Z-Diodenanordnung mit eingeht, liegt der typische Wert des differentiellen Widerstandes der bekannten Z-Diodenanordnungen bei ungefähr dem zweifachen Quotienten aus der Temperaturspannung und dem in der Z-Diodenanordnung fließenden Gesamtstrom. Bei einer von der Anmelderin hergestellten Serie solcher Z-Diodenanordnungen beträgt der differentielle Widerstand ca. 12kl.
  • Dieser als relativ hoch zu betrachtende differentielle Widerstand ist für den Anwender unbefriedigend, denn eine Anderung des Gesamtstroms von z. B. 5 mA, die durch Netzspannungsschwankungen hervorgerufen sein kann, führt zu einer Spannungsänderung der stabilisierten Spannung von ca. 60 mV. Diese durch Netzspannungsschwankungen bedingte Änderung entspricht aber andererseits auch derjenigen Anderung, die durch eine Temperaturänderung der Z-Diodenanordnung von 600 hervorgerufen wird, da die erwähnten von der Anmelderin hergestellten temperaturkompensierten Z-Diodenanordnungen im Mittel einen absoluten Temperaturgang von etwa 1 mV/OC aufweisen. Der unbefriedigend hohe differentielle Widerstand hat also auf die stabilisierte Spannung einen wesentlich größeren Einfluß, als es Temperaturänderungen haben, denn am üblichen Verwendungsort der Z-Diodenanordnungen in Rundfunk- und Fernsehgeräten treten Temperaturänderungen von 60°C im allgemeinen nicht auf.
  • Ein weiterer Nachteil der bekannten Z-Diodenanordnungen besteht darin, daß der Temperaturkoeffizient vom erwähnten durch die als Flußdioden betriebenen Transistorstrukturen fließenden Hauptstrom mit abhängig ist, da die Stromdichte in diesen Transistorstrukturen den Temperaturkoeffizienten von deren Basis-Emitter-Spannung bestimmt. Somit ist aber auch der Temperaturkoeffizient der Z-Diodenanordnung vom Gesamtstrom abhängig.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, die aufgezeigten Nachteile zu beseitigen und die bekannten temperaturkompensierten Z-Diodenanordnungen dahingehend zu verbessern, daß ihr differentieller Widerstand stark vermindert wird. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Weiterbildungen und besonders vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet und werden nun zusammen mit der Erfindung anhand der Figuren der Zeichnung näher erläutert.
  • Fig. 1 zeigt das Schaltbild eines Beispiels einer bekannten Z-Diodenanordnung, und Fig. 2 zeigt das Schaltbild einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Z-Diodenanordnung.
  • In Fig. 1 ist als Beispiel das Schaltbild einer bekannten Z-Diodenanordnung gezeigt, wie sie in der eingangs erwähnten Offenlegungsschrift beschrieben ist. Sie besteht aus den in Flußrichtung betriebenen Transistorstrukturen TF1, TF2, TF3 und den in Sperrichtung als Z-Dioden betriebenen Transistorstrukturen TZ1, TZ2.
  • Sämtliche Kollektoren dieser Transistorstrukturen liegen am ersten äußeren Anschluß I ebenso wie die Basis der Flußdioden-Transistorstruktur TF3. Die einzelnen Transistorstrukturen sind mit ihren Basis-Emitter-Strecken sämtlich in Reihe geschaltet, so daß der Emitter der Flußdioden-Transistorstruktur TF2 am zweiten äußeren Anschluß II liegt. Ferner liegt die Basis der Flußdioden-Transistorstruktur TF1 über den Widerstand R1 und die Basis der Flußdioden-Transistorstruktur TF2 über den Widerstand P2 am zweiten äußeren Anschluß II.
  • Der in dieser Anordnung fließende Gesamtstrom 1 teilt sich in den g Hauptstrom 1h und den Nebenstrom 1 auf. Der Hauptstrom 1h fließt n über die Flußdioden-Transistorstrukturen TF1, TF2, während der Nebenstrom 1 über den restlichen Teil der Schaltuny fließt. Bei n dieser Schaltung ergeben sich somit die eingangs geschilderten und ausführlich erörterten Nachteile.
  • In Fig. 2 ist das Schaltbild einer Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Von den Bauelementen der Fig. 1 enthält die Fig. 2 die Flußdioden-Transistorstrukturen TF1, TF3, ferner die Z-Dioden-Transistorstruktur TZ1 und den Widerstand R1. Ferner ist die weitere Flußdioden-Transistorstruktur TF4 vorgesehen, die zwischen der Flußdioden-Transistorstruktur TF3 und der Z-Dioden-Transistorstruktur TZ1 angeordnet ist und hinsichtlich des Wertes der zu stabilisierenden Spannung die in Fig. 2 fehlende Flußdioden-Transistorstruktur TF2 nach Fig. 1 ersetzen soll.
  • Bei der Anordnung nach Fig. 2 ist nun entsprechend der Erfindung ein Schaltungsteil vorgesehen, der den Hauptstrom 1h überninunt, und die Flußdioden-Transistorstruktur TF1 ist vom konstanten Teil 1 c des Gesamtstroms 1 durchflossen. Als den Hauptstrom Ih führender g Schaltungsteil dient die zu den restlichen Transistorstrukturen komplementäre Transistorstruktur T, deren Emitter am ersten äußeren Anschluß I und deren Kollektor am zweiten äußeren Anschluß II angeschlossen ist, während deren Basis einerseits über den Widerstand R am ersten äußeren Anschluß I und andererseits am Kollektor der Flußdioden-Transistorstruktur TF1 liegt.
  • Somit fließt der Hauptstrom Ih, der bei der bekannten Anordnung nach Fig. 1 noch durch die Flußdioden-Transistorstrukturen TF1, TF2 fließt, nunmehr nicht mehr durch diese Bauelemente, sondern wird an diesen sozusagen vorbeigeführt. Außerdem wird durch die konstante Basis-Emitter-Spannung der komplementären Transistorstruktur T in Verbindung mit dem Widerstand R für die Flußdioden-Transistorstruktur TF1 der konstante Stron 1 erzeugt, so daß betriebsc spannungsänderungsbedingte Anderungen des Gesamtstroms 1g nicht mehr die eingangs geschilderten Nachteile hervorrufen können.
  • Der Vorteil der Erfindung läßt sich wie folgt veranschaulichen.
  • Der konstante Strom Ic betrage ein Zehntel des Hauptstroms Ih.
  • Der Widerstand R entspreche dem Dreihundertfachen des differentiellen Widerstandes der komplementären Transistorstruktur T, also dem dreihundertfachen Quotienten aus Temperaturspannung und Hauptstrom Ih Ferner seien der Stromverstärkungsfaktor der komplementären Transistorstruktur T und der der Flußdioden-Transistorstruktur TF1 groß gegen eins, und die Temperaturspannungen dieser beiden Transistoren seinen einander gleich. Unter diesen Voraussetzungen läßt sich zeigen, daß der differentielle Widerstand der Anordnung nach Fig. 2 nur noch etwa 3 % des differentiellen Widerstandes der Anordnung nach Fig. 1 beträgt. Es läßt sich nämlich folgende Formel ableiten: wobei mit rz der differentielle Widerstand und mit UT die bereits mehrfach erwähnte Temperaturspannung bezeichnet sind.
  • Als komplementäre Transistorstruktur kann vorteilhafterweise ein sogenannter Substrattransistor verwendet werden, d. h. eine Trar.-sistorstruktur, bei der die sonst in mit Isolierwannen versehenen integrierten Schaltungen vorhandene sogenannte "vergrabene Schicht" weggelassen ist, um die in vertikaler Richtung bestehende Transistorwirkung zwischen Substrat, bei npn-Transistoren als Kollektorzone wirkender Zone und bei npn-Transistoren als Basiszone wirkender Zone auszunützen. Solche Substrattransistoren haben den für den erwähnten Zweck ausreichend großen Stromverstärkungsfaktor. Anstatt dieses sogenannten Substrattransistors können jedoch auch als pnp-Transistoren wirkende Verbundtransistoren entsprechend der DT-AS 1 294 557 verwendet werden.
  • Die erfindungsgemäße Ausbildung ist nicht auf die Anwendung bei lediglich zwei äußere Anschlüsse aufweisenden temperaturkompensierten Z-Diodenanordnungen beschränkt, sondern sie kann auch bei solchen Z-Diodenanordnungen mit Vorteil verwendet werden, die entsprechend der eigenen älteren Anmeldung P 24 52 107.1-33 derart ausgebildet sind, daß sie einen dritten äußeren Anschluß aufweisen, über den ein lineares oder nichtlineares Bauelement der Anordnung parallelgeschaltet werden kann, damit ein Teil der in der temperaturkompensierten Z-Diodenanordnung entstehenden Verlustleistung in das äußere Bauelement verlegt wird.
  • 3 Patentansprüche 1 Blatt Zeichnung mit zwei Figuren

Claims (3)

  1. Patentansprüche Temperaturkompensierte Z-Diodenanordnung in Form einer integrierten Halbleiterschaltung, die aus mehreren in einem gemeinsamen Halbleiterkörper angeordneten und durch aufgebrachte Metallisierungen untereinander verbundenen Transistor- -strukturen besteht, bei der die Basis-Emitter-pn-ffbergänge der Transistorstrukturen bezüglich der Richtung des im Betrieb fließenden Gesamtstroms derart in Reihe geschaltet sind, daß ein Teil davon in Sperrichtung bis ins Abbruchgebiet als Z-Dioden und die restlichen in Flußrichtung als Flußdioden betrieben sind, bei der ferner der Emitter der ersten als Z-Diode wirkenden Transistorstruktur oder die Basis einer als Flußdiode wirkenden Transistorstruktur zusammen mit dem Kollektor dieser Transistorstruktur mit einem ersten äußeren Anschluß und der Emitter der letzten als Flußdiode wirkenden Transistorstruktur mit einem zweiten äußeren Anschluß verbunden sind und bei der die Basen der als Flußdioden wirkenden Transistorstrukturen über Widerstände am zweiten äußeren Anschluß liegen, dadurch gekennzeichnet, daß die als Flußdioden betriebenen Transistorstrukturen (TF1, TF2) von einem konstanten Teil <1 ) des Gesamtstroms (Ig) durchflossen sind und daß zwischen erstem und zweitem äußeren Anschluß (I, II) ein den Hauptanteil (r (Ih) des Gesamtstroms führender zusätzlicher Schaltungsteil angeordnet ist.
  2. 2. Z-Diodenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem ersten äußeren Anschluß (I) der Emitter und mit dem zweiten äußeren Anschluß (11) der Kollektor einer zu den restlichen Transistorstrukturen komplementären Transistorstruktur (T) angeschlossen ist, deren Basis mit dem Kollektor bzw. den Kollektoren der als Flußdioden betriebenen Transistorstrukturen (TFi, TF2" verbunden ist, und daß der Basis-Emitter-Strecke der komplementären Transistorstruktur ein ohmscher Widerstand (R) paralleigeschaltet ist.
  3. 3. Z-Diodenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als komplementäre Transistorstruktur (T) ein sogenannter Substrattransistor dient.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2367351A1 (fr) * 1976-10-07 1978-05-05 Itt Dispositif de compensation en temperature d'une diode zener

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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